Una self-balancing board stampata in 3D

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Una self-balancing board stampata in 3D

Prototipazione funzionale di un veicolo elettrico per la micromobilità

Dal desiderio di dimostrare gli enormi vantaggi che la tecnologia additiva offre per il settore della mobilità sostenibile, il team Fabbrix® ha sviluppato questo piccolo veicolo elettrico combinando simulazione digitale e prototipazione funzionale.

Servendosi di strumenti all’avanguardia come SmartSlice™ di Teton Simulation e Fabbrix® ELEMENTO v2.1, il team è riuscito ad annullare le iterazioni ingegneristiche, riducendo drasticamente i tempi di sviluppo del prodotto.

Non si tratta di un semplice modello estetico ma di un veicolo elettrico completamente funzionante che ad oggi ha già accumulato oltre 200 km di strada percorsi.

Lo scopo infatti è quello di stressare e portare al limite tutti i componenti stampati in 3D mediante tecnologia additiva di tipo FFF (Fused filament Fabrication), per comprovarne l’affidabilità e la longevità.

 

Un materiale specifico per ogni componente:

Il prototipo è composto da diverse parti per ognuna delle quali è stato scelto uno specifico materiale in risposta a esigenze specifiche:

  • Fabbrix® Nylon Carbon per i rail (elevata rigidezza e resistenza meccanica, stabilità dimensionale)
  • Jabil PA 0600 per i paracolpi (elevata tenacità, resistenza agli urti e all’usura)
  • Jabil PETg 0800 ESD per i case di batteria e IMU controller (proprietà ESD, tenacità, stabilità dimensionale resistenza alla temperatura e agli schizzi
  • Fabbrix® PLA per le parti estetiche (semplicità di stampa, finitura, trasparenza)
  • BASF Ultrafuse® TPU 64D per passacavi e tenute (flessibilità)

Non sono stampati in 3D la batteria, il controllo elettronico, il motore brushless integrato nel mozzo e lo pneumatico.

 

self-balancing board

 

Il vero fulcro del progetto è stato lo sviluppo dei rail, componenti portanti di questo veicolo che solitamente vengono realizzati in lega di alluminio resistente e leggera. La loro realizzazione in materiale polimerico - metal replacement - è stata possibile grazie alla stampante 3D industriale di grande formato Fabbrix® ELEMENTO v2.1 e al software di ottimizzazione SmartSlice™ di Teton Simulation.

 

In che modo il software SmartSlice™ irrompe nella manifattura additiva:

SmartSlice™ è il primo software al mondo per la validazione e l’ottimizzazione delle parti stampate in 3D ed elimina le congetture per la determinazione dei parametri di stampa, ottimizzandoli per soddisfare in modo sicuro i requisiti strutturali dei componenti.

 

 

Finora, per la stampa 3D FFF si è sempre ricorsi a dati empirici e congetture per la determinazione dei parametri di stampa seguiti da costosi cicli di stampa per reiterare il design e correggere i parametri partendo da congetture e dati empirici.

In assenza di questo software, infatti, bisognerebbe ricorrere ai più comuni strumenti di analisi FEM e all’aiuto di un esperto e costoso analista, il quale si ritroverà ad affrontare un problema tremendamente complesso.

La complessità risiede nel fatto che stampa 3D FFF è governata da molteplici parametri (per citarne alcuni, n°di shell, n°di strati superiori e inferiori, percentuale e geometria di riempimento, ecc.) e la simulazione del comportamento delle parti FFF presenta molte sfide uniche rispetto alla simulazione cad delle parti prodotte in modo tradizionale.

SmartSlice™ è progettato specificamente per il processo FFF e prende in considerazione tutti i problemi che la simulazione CAD non affronta. Lo fa in un modo altamente automatizzato ed efficiente che alleggerisce l'utente, fornendo loro simulazioni realistiche delle loro parti FFF stampate.

 

Il workflow di SmartSlice™per la prototipazione funzionale dei rail:

Il materiale scelto per il componente, il Fabbrix® Nylon Carbon, è una PA12 rinforzato con il 20% di fibra di carbonio, che ben si presta al grande formato sia per il suo contenuto ritiro dimensionale che per la sua stabilità durante il processo di stampa. Inoltre, è un materiale con ottime proprietà di resistenza agli urti, rigidezza e tenacità.

Questo materiale non è sperimentalmente testato e caratterizzato per l’uso con SmartSlice™, ma è possibile utilizzare le proprietà di un materiale supportato affine.

SmartSlice™ è perfettamente integrato con il software di slicing Ultimaker CURA, programma sul quale la stampante 3D ELEMENTO v2.1 è profilata. Per prima cosa è necessario importare il file in uno dei formati compatibili all’interno del software di slicing e orientare correttamente il modello sul piano di stampa. È infatti demandata all’utente questa scelta, poi si selezionano materiale di stampa e il profilo di stampa desiderato.Dopodiché è possibile passare alla finestra SmartSlice™ dove sarà possibile impostare il problema di ottimizzazione. Sono stati assegnati vincoli e carichi statici per una persona del peso di 100 kg soggetta ad un’accelerazione pari a 2G, condizione più gravosa.

 

 

Settati gli obiettivi di massimo scostamento pari a 5 mm e fattore di sicurezza pari a 1,5 è possibile avviare il comando “Validate”.

Dopo qualche minuto, la piattaforma restituisce il risultato mostrando la massima deflessione e il fattore di sicurezza secondo i parametri impostati dall’utente. Sul modello renderizzato compaiono delle aree rosse che evidenziano i punti critici del modello in cui si supera il limite di snervamento del materiale.

 

 

A questo punto l’utente può intraprendere diverse strade:

  • procedere con la stampa se il programma ha validato il design
  • modificare il design intervenendo sulle zone evidenziate
  • avviare il comando ottimizza

Nel caso specifico la soluzione non soddisfa i requisiti, tuttavia avviando il comando “Optimize” l’algoritmo del software elabora le possibili soluzioni (se esistono) demandando l’oneroso carico computazionale al cloud. Dopo circa un’ora il software restituisce le 10 migliori soluzioni trovate.

Qualora il software non fosse in grado di restituire una soluzione attendibile, allora è importante chiedersi, il materiale selezionato è idoneo? Posso intervenire sulla geometria per irrobustire la parte?

Spetta all’utente selezionare il miglior compromesso fra, tempo di stampa, peso, fattore di sicurezza e massimo spostamento, conscio del fatto che tutte le soluzioni restituite soddisfano i requisiti assegnati. Le migliori si trovano quasi sempre nelle prime posizioni, e ad ogni soluzione corrispondono specifici parametri di stampa.

 

self-balancing board

 

L’efficacia di SmartSlice™ risiede anche nella capacità del software di delimitare zone di rinforzo locale con l’obiettivo di garantire i requisiti limitando consumo di materiale e tempo di stampa. Dunque, l’algoritmo non fa altro che incrementare la densità del modello e lo spessore delle pareti solo lì dove è necessario.

Selezionata la soluzione desiderata, il software sovrascrive i nuovi parametri di stampa al profilo corrente ed è possibile avviare lo slicing.

Interpretando i dati della tabella seguente troviamo che il rail solido (con percentuale di riempimento pari al 100%) sicuramente soddisfa i requisiti richiesti, ma si tratta di una soluzione non compatibile con il processo che in ogni caso restituirebbe una parte molto pesante e un tempo di produzione inaccettabile.

 

PART PRINT TIME PART MASS
(g)
COMPUTED MIN.
SAFETY FACTOR
COMPUTED MAX
DISPLACEMENT (mm)
BASELINE RAIL 14h 56 min 241 0.85 4.31
SOLID RAIL 43h 19 min 565 3 1.68
OPTIMIZED HANDLE 16h 21 min
(63% reduction)
382
(32% reduction)
1.55 2,96

 

Il modello stampato con il profilo base del materiale o con parametri assegnati arbitrariamente, invece, non soddisfa i requisiti e questo si traduce in probabile rottura/deformazione della parte con conseguente reiterazione del design, il che si traduce in spreco di tempo e materiale.

In sintesi, solo un’ora investita sul software SmartSlice si traduce in un significativo risparmio di materiale, di tempo e di energia per ogni parte stampata, rivelandosi uno strumento molto strategico ed efficiente per le produzioni in serie.

 

Un nuovo approccio allo sviluppo del prodotto:

Grazie al grande formato della stampante 3D industriale ELEMENTO v2.1 (pari a 1000x560x530 mm) e all’elevata affidabilità della tecnologia Fabbrix® nel processare materiali ingegneristici come Il Fabbrix® Nylon Carbon, è stato possibile realizzare in pochissimo tempo le parti studiate, consentendo ai progettisti di testare immediatamente il prototipo impiegando risorse minime.

La sua piena funzionalità, dimostra ampiamente che le parti progettate soddisfano anche nella realtà i requisiti richiesti e assolvono egregiamente alle funzioni richieste.

Sviluppata e prototipata dagli ingegneri Fabbrix in sole 5 settimane, questa self-balancing board ispira la mobilità del futuro e dimostra l’incredibile potenziale della produzione additiva per la realizzazione di prototipi funzionali al 100% a basso costo.

 

self-balancing board

 

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